基于PLC的抽水泵站自动控制系统毕业设计开题报告.doc

电信学院毕业设计开题报告
姓 名

专业
控制工程基地班（电气）
班级
控制工程基地班11级2班
学 号

指导教师

题目类型
工程设计
题 目
小型灌溉抽水泵站PLC自动控制系统设计
一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，如实说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
1.技术背景
随着科技的飞速发展，数字化和智能化也越来越多的应用到农业生产上。我国是一个水资源不甚丰富的农业大国，要想合理发展农业提高农业生产率，现代科技的作用尤为重要，灌溉自动化与监控系统便应运而生。灌溉自动化既可以实现节水灌溉解决用水困难的现状，又可以减轻人工浇灌的劳动强度提高生产率。以往的农业生产中更多的是依靠人工的或自然的力量来进行浇灌和监控，非常消耗体力且增加劳动强度不说，在量上也很难把控，生产率也一直很低。我国作为一个有着将近14亿人口的大国，有着将近世界五分之一的人口，同时土地资源又十分匮乏根本达不到自给自足，所以中国的粮食问题一直都是世界关注的焦点。在这种尴尬的境况下，提高粮食的生产率是迫在眉睫的。所以，农业自动化数字化是势在必行的。
小型泵站在城市建设、防洪排涝、灌溉、水利等领域的应用中占有相当大的比例。以前采用传统的单机控制和集中控制方式，运行管理成本较高。采用可编程控制器PLC控制，可以通过设定运行程序对泵站进行运行监控既可以降低运行费用，又可以提高小型泵站的自动化程度。将其运用到灌溉领域便可实现灌溉自动化。
2.设计依据
本设计中是通过利用PLC控制系统控制水泵运行来达到实时灌溉的目的。可编程逻辑控制器PLC是以微处理器为基础，自带有控制逻辑顺序、定时、数据处理和计算能力等功能，综合了计算机、自动控制和通信等技术的一种新型工业控制装置，它具有结构简单、编程方便、可靠性高、使用灵活等优点，是现代工业的重要基础设备之一。PLC是靠执行用户程序来实现控制要求的。PLC用户程序的执行主要采用循环扫描的工作方式，在系统软件的控制下，顺序扫描个输入点的状态，按照用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程包括3个阶段：输入采样、执行用户程序、输出刷新。小型PLC自动控制系统控制的抽水泵站不仅能合理、高效的完成灌溉，且可靠性高、耗能低，是最理想的控制系统。
3.研究意义
1） 自动控制系统能提高泵站运行的可靠性和自动化水平，实时监视泵站运行状况，快速准确地检测并处理故障，防止事故发生的同时并保护运行设备。同时也降低了人员事故发生率。
2）自动控制系统的应用提高了经济效益。采用PLC监控系统能根据进水量适时的调整运行泵数，并在运行允许时能顺序替换，使得每台水泵的的运行时间大致相同，减少不必要的损耗。同时自动控制系统需要的配备人员需求减少，减少了运行成本和配备人员生活设施的配套成本。
3）于常规操作系统相比操作更方便，显示更直观，能实时显示配电站系统的运行参数的变化和运行趋势。不需要繁琐的操作便能控制运行并得到想要的目标数据。而且能直观的看到故障发生时的地点，进行及时的抢救维修，避免设备上大的损失。

参考文献
[1] 李素玲等，恒压供水自动测控系统的设计与实现，中国给水排水，2004年3月
[2] 陈明榜，基于组态软件的PLC泵站监控系统，工业控制计算机,2007,(02)
[3] 何平，大型泵站自动控制系统设计，电工技术，2004，（12）
[4] 王存才，抽水泵站自动控制系统设计探讨，城市建设理论研究，2013（7）
[5] 石建飞等基于PLC的农田自动灌溉无线监控系统设计，黑龙江省农业工程学会2011学术年会论文集，2011年1月
[6] 刘嘉等，基于PLC的自动灌溉系统设计，南昌工程学院学报，2013（6）
[7] 葛瑜，基于PLC和组态王的智能灌溉系统设计，江苏农业科学，2014（12）
[8] 电力工程电气设计手册（电气一次部分、电气二次部分），水利电力出版社，1990
[9] 王锡凡，电力工程基础，西安交通大学出版社，1998
[10] 组态王监控软件用户手册，北京亚控自动化公司
[11] PROGRAMME LOGIC CONTROL PUMPING STATION AND SYSTEM AUTOMATION ，Matangu-deba-noel ，Business and Management Review Vol. 1(7) pp. 46 - 52 September, 2011，ISSN: 2047 – 0398。
二、主要设计内容、设计思想、解决问题的关键、拟采用的设计方案、设计工作步骤
1.设计内容
1）课题研究的意义及目的，国内外研究的现状；
2）电气控制系统设计；
3）控制系统的总体设计及控制系统的硬件配置；
4）PLC应用软件设计和主要电气设备选择；
5）监控软件的设计及图形界面的设计。
2.设计思想
利用传感器来检测泵站进水前池和水井的水位高低，根据进水前池与水井的水位高低，调整投运水泵的数量，保持进水前池水位处于一个相对稳定的预定设定点。水位的检测要实时连续，以避免发生高低水位预警。当进水前池高水位预警时，停止运行A组水泵并投运B组全部水泵；当到达进水前池低水位时，启动A组全部水泵，B组暂停；当到达水井低水位时，停止A组水泵运行。当进水率处于预定稳定值时，可进行AB组内泵顺序交替运行，使得在一个周期内，每台泵运行的时间都是一样的，有效避免有的机组过度磨损，有的机组则长期停机的情况。根据进水侧和出水侧的管道水压来决定水泵是否变频运行。
3.要解决问题的关键
1）电气控制原理图的设计。
2）可编程控制器PLC的选型和各低压设备的选型。
3）做好合理的继电保护和运行设备保护。
4.拟采用的设计方案
1）主要低压电器的选择
a.空气断路器的选择
空气断路器，又名空气开关，是断路器的一种。是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。根据经济性和可靠性，我们选用DZ20C-160/3300。
b.交流接触器的选择
在电工学上，接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机，此外也用于其他电力负载，如电热器，电焊机，照明设备，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要元件之一。此处我们选用CJ20-100A型的交流接触器。
c.按钮的选择
按钮是一种短时间接通或断开小电流电路的手动电器，常用于控制电路中发出启动或停止等指令，以控制接触器、继电器等电器的线圈电流的接通或断开，再由它们去接通或断开主电路。按钮开关可以完成启动、停止、变速、正反转以及互锁等基本控制。按钮的一般结构主要由按钮帽、复位弹簧、桥式动触头、动合静触头、动断静触头、推杆和外壳等组成。每个按钮开关都有两对触点，每对触点由一个常开触点和常闭触点组成。当按钮按下时，常开触点闭合同时常闭触点断开。在本设计中我们选用常闭式按钮选用LA19-11D型。
d.液位开关的选择
液位开关也称水位开关、液位传感器，是用来控制液位的开关，从形式上主要分为接触式和非接触式。常见的非接触式开关有电容式液位开关，接触式有浮球式液位开关。电容式液位开关就是在容器内插入电极，当液位变化时，电极内部介质改变，电极间的电容也随之变化，再转换成标准化的直流电信号。浮球式液位开关就是在液位中放一个空心的球，当液位变化时，浮球将产生与液位变化相同的位移，可用机械或电的方法来测得浮球的位移，这种开关不适用于高粘度的液体，其输出端有开关控制和连续输出。在本设计这种我们选用浮球式液位开关。
e.变频器的选择
本系统是提供灌溉用水的抽水泵站系统，可以采用恒压供水的方式，这样就要用到变频器。本次设计的负载是是泵，所以我们选用MICROMASTER 430变频器。MICROMASTER 430 变频器适合用于各种变速驱动装置，有多种型号可选，额定功率范围从7.5KW到250KW可选，由于其灵活性而可以在广泛的领域得到应用。在采用变频器的出厂设定功能和缺省设定值时，MICROMASTER 430变频器尤其适合用于工业部门的水泵和风机。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和通用性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制方法,可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。与MICROMASTER 420 变频器相比，这种变频器具有更多的输入和输出端，具有手动/自动切换功能的操作面板，以及自适应的软件功能。
f. 压力变送器的选型
压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转换成4~20mA电流信号或者1~5V电压信号输出。主要有电容式压力变送器、扩散硅压力变送器、陶瓷压力变送器和应变式压力变送器。本设计中选用KTTS801扩散硅压阻式压力变送器。
2）PLC及各扩展模块的配置及选型
在此次设计中，我选用西门子S7系列的PLC，S7系列以结构紧凑、功能全、
可靠性高等优点在自动控制领域占有重要地位。主要有S7-200、S7-300、S7-400等系列。
对于控制速度要求不高的开关量控制系统，可选用小型PLC如S7-200系列；对以开关
量为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业系统中遇到的压力、温度、速度、
流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换额模拟量输入输出模块和带有D/A
转换的模拟量输入输出模块的中小型PLC如S7-300系列；对于比较复杂的大型控制系
统，应选用大型PLC如 S7-400系列。
本设计中，有模拟量的控制故选用S7-300系列CPU型号为314的PLC。其中扩展模块分别选用：模拟量输入模块SM331 ：8点输入，模拟量输出模块SM332：8点输出，数字量输入SM321：32点输入，数字量输出SM322：32点输出。电源模块选用PS307，接口模块选用IM365。
3）I/O分配表
表1 I/O分配表
输入信号
1号自动模式
I1.0
5号压力变送器信号
PIW328
2号自动模式
I1.1
6号压力变送器信号
PIW330
3号自动模式
I12
7号压力变送器信号
PIW332
4号自动模式
I1.3
8号压力变送器信号
PIW334
5号自动模式
I1.4
1号故障信号
PIW336
6号自动模式
I1.5
2号故障信号
PIW336
7号自动模式
I1.6
3号故障信号
PIW336
8号自动模式
I1.7
4号故障信号
PIW336
1号压力变送器信号
PIW320
5号故障信号
PIW336
2号压力变送器信号
PIW322
6号故障信号
PIW336
3号压力变送器信号
PIW324
7号故障信号
PIW338
4号压力变送器信号
PIW326
8号故障信号
PIW340
输出信号
1号泵自动开关
Q0.0
1号频率输出
PQW352
2号泵自动开关
Q0.1
2号频率输出
PQW354
3号泵自动开关
Q0.2
3号频率输出
PQW356
4号泵自动开关
Q0.3
4号频率输出
PQW358
5号泵自动开关
Q0.4
5号频率输出
PQW360
6号泵自动开关
Q0.5
6号频率输出
PQW362
7号泵自动开关
Q0.6
7号频率输出
PQW364
8号泵自动开关
Q0.7
8号频率输出
PQW366

4）程序设计
根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(IEC1131-3)，PLC编程语言有
5种形式：
a.顺序功能图语言（SFC）
顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。
b.梯形图语言（LAD）
梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言，它的特点是：与电气控制原理图相对应，具有直观性和对应性，比较直观易懂，且容易在计算机编程软件上进行仿真模拟。
c.功能块图语言（FBD）
功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它的特点是：以功能模块为单位，使控制方案得分析理解变得简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。
d.结构化文本语言（ST）
结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。它的特点是：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。
e.指令表语言（STL）
指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换。它的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。
在本设计中采用做常用的梯形图语言编程。
5）电气控制原理图的设计
选定PLC和分配完I/O地址后，硬件设计部分就剩电气控制原理图的设计了。电气控制原理图包括两个部分：主电路和控制电路。控制电路包括PLC的I/O接线和自动部分、手动部分的详细连接。一般电器元器件的选择主要是根据控制要求选择按钮、传感器、接触器、电磁阀、指示灯、保护电器等。

图1 控制电路原理图

6）上位机监控系统
在实际工业监控系统中上位机一般是选用工控机。工控机全称工业控制计算机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机电设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计，以便在比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也很高。所以一般工业监控系统中就采用工控机。但是此次设计仿真时是在实验室进行，因各种条件的限制，故此处选用普通PC计算机便可。

上位机监控系统就是将现场与上位机进行连接，获取现象参数，根据这些参数上位机可以对系统运行进行实时监控，或者在监控界面控制系统的运行。一般先用组态软件模拟出现场运行的设备，然后通过通讯与现场相连，互相交换数据。采用组态软件设计人机接口界面，能将系统运行期间的各个参数传送至监控界面，进行水泵运行状态、水泵工频运行状态、变频运行状态、水泵切换运行状态的实时监控，并通过上位机监控系统对水泵运行进行控制，如手动/自动模式的转换、水泵的启停、某项参数的设定等。
5.设计工作步骤
1）熟悉题目要求，查阅相关资料。
2）设计总体方案并进行基本硬件配置的选型。
3）设计电气控制原理图。

4）设计控制流程图。
5）系统程序设计。
6）监控系统设计。
7）完成模拟仿真。

三、毕业设计（论文）工作进度安排
第4周，熟悉工艺要求和设计内容，查阅资料。
第5周，熟悉工艺要求和设计内容，查阅资料。
第6周，总体方案设计和硬件配置。
第7周，电气控制原理图。
第8周，电气控制原理图。
第9周，I/O接线图及I/O地址分配。
第10 周，控制流程图。
第11周，PLC程序设计。
第12周，PLC程序设计。
第13周，监控组态软件和通讯软件设计。
第14周，监控组态软件和通讯软件设计。
第15周，绘图，整理说明书。
第16周，绘图，整理说明书。

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________
年 月 日